引言

某醫院手術部共20間手術室，其中I級手術室3間（含1間I級眼科）、II級手術室2間，III級手術室15間（包括1間負壓手術室），按照《醫院潔凈手術部建筑技術規范》（GB50333-2013）標準設計與建設。實際運行中，部分手術室由于人員和醫療設備散熱多，冬季仍需要供冷，存在室內溫濕度調節響應不及時，周期性波動、甚至無法降到舒適值范圍等問題。

由于手術室內的溫濕度受氣流、風速、出風、回風、排風、熱源分布等眾多參數影響，且存在明顯的滯后效應，單純通過人工參數調整的試探方式，很難試驗出符合實際需要的參數設定集合。本文用CFD（計算流體力學）方法進行數值模擬；根據CFD模擬出的結果，進行現場參數調整試驗，可以快速收斂到符合實際需要的數據集合，從而可以準確定位手術室空調效果差的具體原因，并高效完成潔凈空調運行優化的目標。

手術室環境數值模擬

1、手術室潔凈空調系統介紹

該醫院地處江淮平原，屬于冬冷夏熱氣候區，夏季計算干球溫度33.2°C、濕球溫度28°C；冬季計算干球溫度-5°C，計算相對濕度74%。手術室室內潔凈空調計算參數為干球溫度21~25°C，相對濕度30~60%。

考慮到該院手術部一年四季均有冷熱需求，潔凈空調冷熱源系統采用了四管制的風冷螺桿熱泵機組，可以同時獨立設置冷熱水溫度，過渡季節采用自動平衡換熱器，無需手動切換。設計供應冷水溫度7°C/12°C，熱水溫度45°C/40°C。

潔凈空調的風系統采用循環機組（空調箱）加新風機組（空調箱），具體運行策略采用新風濕度優先控制模式。新風機組配深度除濕機，在夏季工況，將各手術室所需的新風集中降溫除濕處理，確保經過處理的新風的絕對含濕量達到設計所需要的水平后進入各循環系統，過干的新風可以抵消室內的顯濕。循環機組只須承擔室內的顯熱負荷，使機組盤管趨向于干式運行，避免產生大量冷凝水的同時也避免了傳統恒溫恒濕處理方式中的大量冷熱量抵消，整體能耗大大降低。

每間手術室設一套循環機組、含獨立的控制柜、加濕器和排風等。手術室回風總管上安裝溫濕度傳感器，用于實時采集回風的溫濕度。控制柜根據設定參數和傳感器反饋值，實時控制循環機組冷熱水管三通調節閥的開啟度。

潔凈度保證和滅菌措施方面，采用三級有效安全過濾保證：新風機組的初效過濾器、中效過濾器、亞高效過濾器完成第一級預過濾；循環機組的中效過濾器承擔二級過濾任務；送風末端（送風天花送風口）設高效過濾器完成第三級過濾。

手術室環境參數：溫度21~25°C，相對濕度30~60%，每間手術室排風量不低于250m3/h。其中，I級手術室工作區平均風速0.20-0.25m/s；III級手術室最小換氣18次/小時，最小新風量15~20m3/h。

2、手術室模型構建

國內外先后有多位學者采用CFD方法對I、II級手術室的氣流和溫濕度分布進行了數值模擬【1】、【2】、【3】，有一定的參考意義，但都是基于理想條件，缺少實際在用的手術室模型參數來指導潔凈空調系統的運行。另外，考慮III級手術室數量通常占綜合性醫院手術室總量的70%以上，本文從該醫院的III級手術室實際配置及使用情況出發，充分考慮出風口、排風口、人員和醫療設備散熱等變量因素，進行數值模擬。

該醫院某間III級手術室的實際環境參數如表1所示：

表格 1  III級手術室環境參數表

根據上述環境參數建立的幾何模型如下圖所示：

 圖表 1   III級手術室幾何模型圖

手術室內氣流屬于混合流動，流態為湍流，數學模型采用室內零方程模型。速度與壓力耦合采用SIMPLE算法。收斂條件是：流動方程相對誤差不大于0.001，能量方程相對誤差不大于1e-6。

根據初始設計，本間手術室循環空調箱的最大風量為2700m3/h（對應1.4m x 1.6m出風口的風速為0.335m/s），新風量1000m3/h（對應0.4m x 0.6m排風口的風速為1.157m/s）。

3、手術室模擬結果與分析

速度場模擬：

出風口0.15m/s風速（出風口溫度23°C條件下）的速度場模擬結果如圖所示：

 圖表 2   出風口23°C溫度、0.15m/s風條件下：X=3.5m斷面流場圖

 圖表 3   出風口23°C溫度、0.15m/s風條件下：Z=2.5m斷面流場圖

由圖2和圖3斷面流場圖可以看出，因為天花頂部排風口的存在，手術臺外的排風口下方有明顯的渦流，但在手術臺上方的氣流近似于垂直向下的層流，這樣可以很好地保證手術區域不受臟氣流的污染。

溫度場模擬：

出風口溫度23°C（0.10m/s風速條件下）的溫度場模擬結果如圖所示：

 圖表 4  出風口23°C溫度、0.10m/s風條件下：X=3.5m斷面溫度場圖

圖表 5  出風口23°C溫度、0.10m/s風條件下：Z=-2.5m斷面溫度場圖

由圖4和圖5斷面流場圖可以看出，在出風口溫度23°C（0.10m/s風速條件下），手術臺面及其上空的溫度不超過27°C。表明按照III級手術室標準所規定的設計的1.4mX2.6m層流罩可以很好地保證手術臺面及其上方區域的溫度效果。

出風口溫度、風速變化對醫生及病人的影響

由經驗得知，手術室室內的溫度主要取決于出風口的溫度和風速參數。為便于模擬，將出風口溫度分別取值為17°C、20°C和23°C，出風口風速分別取值為0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s，設出風口濕度固定為50%。在上述組合條件下，分別模擬醫生和病人體表環境溫度，具體模擬結果如下所示。

 圖表 6 出風口23°C溫度、0.20m/s風條件下：Y=1.2m斷面溫度場

 圖表 7  出風口20°C溫度、0.20m/s風條件下：Y=1.2m斷面溫度場

 圖表 8  出風口17°C溫度、0.20m/s風條件下：Y=1.2m斷面溫度場

更多醫生與病人體表環境溫度的數值模擬匯總如表2所示：

表格 2 醫生和病人體表環境溫度數值模擬

由表2可知，手術臺上病人的體表環境溫度，與出風口溫度比較接近。而醫生由于通常位于層流氣流邊緣或外側，其不同高度的體表環境溫度與病人有明顯差異。例如，出風口20°C、風速0.2或0.3m/s條件下，醫生感覺體表環境溫度適宜時（20~25°C），病人體表環境溫度容易過低（20°C）。反之，出風口23°C、風速0.1m/s的送風參數組合對病人合適（25~28°C），但醫生體感則會溫度過高（超過30°C）。

4、手術室模型驗證與實踐指導

在該手術室的情報面板上，可以設置和顯示溫度、濕度和壓差等參數。實際使用中卻發現，此情報面板上顯示的室內當前溫濕度與實際體感相差較大。如圖9所顯示的當前溫度為18.5°C，但用便攜式溫度計測量發現，手術室1.2m高度平面上，多處的實際溫度為24.5°C或以上。

 圖表 9  手術室情報面板數據顯示圖

由圖表4的溫度場斷面得知，回風口的溫度值明顯低于手術臺周邊醫生的體表環境溫度。該手術室現場用紅外測溫測量出風口的溫度為17°C，符合上節數值模擬的理論值預期，從而驗證了該手術室的模型可以指導實際應用。情報面板顯示溫度與實際環境差異的原因是，情報面板上顯示的溫濕度值是來源于回風管道內溫濕度傳感器的反饋，不能直接代表手術室空間溫濕度。

基于表格2的數值模擬結果，如果需要兼顧手術病人和醫生的體感溫度需求，該手術室出風口的溫度和風速組合采用（23°C、0.2m/s）、（23°C、0.3m/s）、（20°C、0.1m/s）相對合適。情報面板上設置時提交的溫度值，就是通過潔凈空調箱控制器來設置出風口的溫度。由于本手術室情報面板無法設置風速，通過試驗將本間手術室的出風口溫度值設置為23°C，此時病人體表環境溫度實測值為24°，醫生體表環境溫度實測值為25~27°C，很好地兼顧了手術病人和醫生的需求。

本文對此III級手術室的濕度場變化也進行了模擬，限于篇幅，具體過程不再展開。

潔凈空調運行策略優化

在用數值模擬指導實際參數調節的過程中，偶爾還是會出現溫濕度振蕩和收斂速度慢的現象。經過深入分析，此類溫濕度失控原因是手術室自動控制軟件的溫濕度控制邏輯關系造成的。

手術室溫濕度控制邏輯常規的做法是：采集手術室回風的溫濕度數據，采用PID（比例積分微分）控制空調機組冷熱源及加濕器的溫濕度輸出。它的控制規律為：當控制量的目標值與檢測值之間存在誤差（或稱為控制偏差）時，誤差小，操作量就小；誤差越大，操作量就越大。此類控制要求被控制流程不能有過沖現象（即超調現象）。然而手術室溫濕度數據采集點設置在回風處，使其數據采集具有很大滯后性，不可避免出現超調。且在實際應用中，手術室工作人員希望手術室的溫濕度調節時間盡可能快。然而溫度的高速響應，更容易造成超調，并很可能形成長時間的溫度振蕩。

經過優化，該手術室的溫度數據采集點改為送風口溫度，濕度采集點為回風管中的回風濕度，采用PID控制空調機組冷熱源及加濕器的溫濕度輸出。這樣，既保留了采用PID基本控制策略來控制空調機組冷熱源及加濕器的溫濕度輸出的優點，也從根本上解決了回風采集PID調節數據固有的滯后性導致的超調現象。手術室濕度的采集回風數據，是考慮到人員在溫度適宜的情況下，對濕度指標不是十分敏感，僅是為了控制病菌生長；且手術室采集實際濕度數據來控制室內濕度，有效地避免了室內濕度波動情況。

結語

本文就III級手術室的實際環境進行了CFD數值模擬，較真實的反映了該手術室的流場、溫度場的分布情況，模擬的結果經過現場測試數據驗證，可很好地指導此類手術室潔凈空調的實際參數優化。根據數值模擬結果和現場測試，進一步優化了該手術室自動控制軟件的溫濕度控制邏輯關系，溫度數據采集點為送風口溫度，濕度采集點為回風管中的回風濕度，有效地避免了室內溫濕度波動情況的出現。